コンピュータサイエンス第一 第1週

• 日時: 月曜日 1-2限 (1b)、 および 3-4限 (2b)
• 場所: S4 演習室1 (3F)

3. コンピュータの原理

おそろしく単純な動作 (後述) を大量に組み合わせて、複雑な処理をおこなう。

• 単純な操作 × 膨大な数 = 複雑な処理

3.1. コンピュータの4大要素

すべてのコンピュータは 以下の4つの部分から成り立っている。

1. 入力装置 … マウス、キーボードなど
2. 出力装置 … 画面、スピーカなど
3. 記憶装置 … メモリ、ハードディスクなど
4. 演算装置

スマートフォンも炊飯器もエレベータも、 コンピュータにしてみれば、やっていることは一緒。 入力装置から来た情報を演算装置であれこれ処理して、出力装置に渡しているにすぎない。 (人間さえ、コンピュータからみれば単なる外部装置のひとつにすぎない。)

3.2. 情報とは何か?

コンピュータ上の情報は、 2種類の異なる状態の組み合わせで表される。

• スイッチの入／切
• 0 と 1

数字、文字、画像、音声などをコンピュータで扱うためには、 これらの情報をすべて 0 と 1 だけで表す必要がある。

3.3. プログラムとは何か

コンピュータがおこなう処理 (計算過程、プロセス) を いくつかの命令の列によって表現し、 それを実行することにより処理する。 命令の列は、記憶装置に入れておく。 プログラムも情報である。

• 2つの値を足す。
• メモリ上のある値を別の場所にコピーする。
• 繰り返し処理をおこなう。
• …

(注意: これは実際には数値の列なのだが、 現代は文字によって表せるようになっているので、 この授業ではもっぱらプログラミング言語を使って表現する)

プログラミング言語 Python

• 1990年に開発。
• コメディ番組 "Monty Python's Flying Circus" にちなんで名付けられた。
• 簡単な計算、データの処理、および繰り返し処理が可能。

4. Python プログラムの基礎

4.1. 最初の Python プログラム

1. 「ターミナル」を起動する。
2. デスクトップ上にフォルダをひとつ作成する
3. そのフォルダに cd する。
4. IDLE を使って hello.py というテキストファイルを作成する。
   (注意: 大文字・小文字の区別は正確に!)

   $ cd Desktop
   $ mkdir cs1
   $ cd cs1
   $ idle hello.py
   

   hello.py

   print("Hello, World!")
   

5. プログラム hello.py を実行する。

   $ python hello.py
   Hello, World!
   

以下、この hello.py をいろいろなファイルに 変えることで演習・課題をおこなう。

4.2. 変数の使用

1. 「ターミナル」を起動する。
2. 先ほど作成したフォルダに cd する。
3. IDLE を使って greetings.py というテキストファイルを作成する。
   1文字も間違えないように!
   greetings.py

   print("What is your name?")
   x = input("name=")
   print(f"Good morning {x}!")
   

4. Python で greetings.py を実行する。

   $ python greetings.py
   What is your name?
   name=euske
   Good morning euske!
   

4.3. 文とは

プログラム中の各行を、それぞれ文 (statement) とよぶ。 各文は、書かれたとおりの順序で実行される。

ふたたび、コンピュータサイエンスとは何か?

コンピュータサイエンスとは、 「手順 (プロセス)」をあつかう学問である。

プログラムにおいて、実行順序はきわめて重要である。 ある意味、カレーの作り方もプログラムである。(実行順序が重要)

4.4. 関数・変数・代入とは

各文のなかの print(...)、input(...) のような部分を 関数 (function) とよぶ。

また、x のような部分を変数 (variable) とよび、 x = input("name=") という文全体を 代入文 (assignment) という。

変数は、いくつでも定義することができる。

greetings2.py

print("What is your name?")
x = input("name1=")
y = x
print(f"Good morning {x} and {y}!")

変数の上書き

さらに、一度変数に代入された値は、別の代入文で上書きすることができる。

greetings3.py

x = input("name1=")
y = input("name2=")
x = y
print(f"Good morning {x} and {y}!")

変数の入れ替え

代入文をある順序で書くと、 2つの変数の内容を入れ替えることができる。

swap.py

x = "john"
y = "mary"
  ???
  ???
  ???
print(f"x={x}, y={y}")

4.5. 条件分岐とは

変数の値によって、プログラムに異なる動きをさせることができる。 このような機能を 条件分岐 (conditional branch) という。

conditional.py

print("What is your name?")
x = input("name=")
if x == "euske":
    print("You are awesome!")
else:
    print("You are not awesome!")

このプログラムを実行すると、以下のように動く。

$ python greetings.py
What is your name?
name=euske
You are awesome!

$ python greetings.py
What is your name?
name=john
You are not awesome!

Python における if文は、 変数の値によって 2種類の異なる動作をさせることができる。

if 変数名 == 値:
    等しい場合の動作
else:
    等しくない場合の動作

ifの内部では、 必ずインデント (indentation、字下げ) が必要である。 たとえば上の例を以下のようにすると動作しない:

エラーになる例:

print("What is your name?")
x = input("name=")
if x == "euske":
print("You are awesome!")
else:
print("You are not awesome!")

IDLE では、if文を書くと自動的に インデントが行われる。または Tab キーを押しても 半角スペース4個が挿入される。

if文の使用例

• 標準的な使用例:

  if x == "foo":
      print("x is foo.")
  else:
      print("x is not foo.")
  

• 2つの変数の内容を比較することもできる:

  if x == y:
      print("x is y.")
  else:
      print("x is not y.")
  

• 分岐の中に複数の文を入れることもできる:

  if x == "euske":
      print("You are awesome.")
      print("And handsome, too.")
  else:
      print("You are not awesome.")
      print("Or handsome, either.")
  

• else節は省略可能である。 こうすると、等しくない場合は何も実行されない:

  if day == "sunday":
      print("There is no class.")
  

• if文の中に さらにif文を入れることもできる。 この場合は、2重に字下げする:

  if a == "2":
      if b == "3":
          print("Correct!")
      else:
          print("Incorrect!")
  else:
      print("Incorrect!")
  

Pythonでインデントする際の注意

実際にはインデントは (一貫しているかぎり) 何マス空けてもよいが、通常は 半角スペース4個 (    ) を使う慣例である。 ここに、半角スペース以外の文字を使うと動かない。 たとえば以下の例は正しく見えるが、実際にはエラーとなる:

動かない例:

print("What is your name?")
x = input("name=")
if x == "euske":
　　print("You are awesome!")
else:
　　print("You are not awesome!")

なお、OCW-i に提出する際のコメント欄はほとんど読まないので、 あまり重要なことは書かないこと。(読みとばす危険性がある)